工业物联网能够有效提升工业生产效率，近些年受到研究人员与工程师的广泛关注。工业物联网的实现对于通信系统有着较为严格的要求，包括：高可靠性，低延时性和高安全性。传统的工业场景利用有线电缆连接各工业设备，能够满足工业物联网对于通信系统的严格要求。但是无线技术在工业场景中的应用是工业物联网发展的趋势，能够带来诸多益处：成本较低，长期稳定性高和适用于有线电缆难以连接的通信设备。无线通信技术给工业物联网系统带来这些益处的同时，也引入了一些挑战，例如：无线信道的阴影和衰落等问题影响通信系统的可靠性，通信失败可能增加系统延时以及无线信道的开放性容易遭受安全攻击。本文为应对这些挑战，利用基于能量调制的非相干大规模单输入多输出（Massive SIMO）技术，构建一个高可靠低延时的工业物联网系统，在此基础上，提出物理层认证方案，包括主动形式的物理层消息认证和被动形式的物理层身份认证，并通过仿真实验和分析实际工业通信场景数据集，验证所提方案的性能。
　　首先，本文利用基于能量调制的非相干Massive SIMO技术构建了工业物联网通信系统，能够实现低延时高可靠通信。考虑上行链路时，多个传感器设备以时分多址的方式与控制器进行通信。本文给出了保障安全认证的通信流程，包括身份认证和消息认证。针对构建的工业物联网系统，分析了不同安全攻击模型带来的影响并介绍了相应的安全策略。欺骗攻击、篡改攻击和重放攻击对于工业物联网系统危害较大，引入认证机制是解决安全问题的关键。本文从通信可靠性和认证安全性两个方面定义了所构建系统性能的评价指标。从理论上分析了非相干技术的运用能够降低通信延时，Massive SIMO技术能够提升系统可靠性。通过仿真实验验证了理论分析的正确性，并研究了不同的系统参数对系统通信性能的影响，通过选取合适的参数，通信系统的误符号率可以降低至10?8以下。
　　其次，本文提出了基于叠加消息认证码（MAC）的物理层消息认证技术，能够应用于本文搭建的工业物联网通信系统，实现低延时的可靠认证。由叠加模型推导出消息信号和标签信号（MAC经过调制所得）误符号率的闭式表达式。通过仿真实验检验了传统的均匀叠加方案的性能，仿真结果表明传统均匀叠加方案中的标签信号误符号率存在约10%的错误底线，无法满足工业物联网对于可靠性和安全性的要求。这项发现促使我们提出新的叠加设计方案，即基于消息信号的叠加。本文将该叠加设计问题建模为一个最优化问题，并进一步将该问题转化为凸优化问题，通过求解得到最优叠加设计方案。接下来进行了仿真实验，验证理论推导的正确性，并给出了最优叠加设计时系统的性能。关于消息信号与标签信号的误符号率权衡曲线也表征了系统通信可靠性与安全性之间的权衡，给实际系统设计者提供了参考。
　　最后，本文通过实际工业场景数据集研究了基于信道状态信息的物理层身份认证技术。该数据集收集了工业场景中静态通信和移动通信两种场景下的信道频率响应信息，并给出了相对应的通信设备位置信息。控制器需提前对合法设备的状态信息进行收集并建立相应数据库。对于静态场景，控制器利用信道响应差异作为依据，判决消息是否来自合法设备，本文对信道差异的计算提出改进，利用合法设备多次响应的均值作为计算信道差异的标准，在测试数据集中，能够在虚警概率为0时，将检测概率从97.92%提升到100%。然而在移动场景中，上述认证方法并不适用，本文提出了基于相邻时刻信道差异的方案解决移动场景中的物理层身份认证问题，利用测试数据集进行仿真实验，在误警概率为0时，检测概率达到98.61%。